（化学工程专业论文）新型钢结构防火涂料的研制.pdf

摘要 钢结构具有强度高、自重轻、延展性好等优点，在国内外建筑业中得到了广 泛应用。钢材虽然不具备可燃性，但其导热系数大，耐火性能差，不加防火保护 耐火极限只有o 2 5 h ，远达不到我国建筑设计防火规范的要求。超薄型钢结构防 火涂料是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种新型防火涂料，同时具有优良的装饰作用和防 火性能。本论文对超薄型钢结构防火涂料的制备及其防火机理进行了研究。 论文比较了不同树脂体系形成炭化层的优劣，确定选用氨基树脂和丙烯酸树 脂共混体系作防火涂料的基料。通过实验对比不同树脂配比对防火涂料理化性能 和防火性能的影响，确定了最佳树脂组成和用量。 论文对防火涂料的阻燃体系进行了研究，选用聚磷酸铵、a b 型阻燃剂和磷 酸二氢铵作脱水成炭催化剂，三聚氰胺作发泡剂，季戊四醇作成炭剂，研究了阻 燃体系各组分对防火涂料性能的影响，确定了阻燃体系各组分的最佳用量。实验 发现聚磷酸铵的聚合度对涂料的综合性能有重大影响，聚合度高，涂料的理化性 能和防火性能好。 论文还确定了综合性能最佳时涂料配方中颜、填料的用量，在涂料配方中加 入流变剂和流平剂以提高产品的贮存性能和理化性能。根据溶度参数理论，用滴 定法测定了树脂体系的溶度参数，确定选用2 0 0 号汽油、正丁醇和乳酸丁醋组成 混合溶剂。 采用热重分析( t g ) 、差热分析( d 1 a ) 、示差扫描量热( d s c ) 等热分析手段测 试阻燃体系各组分及干燥涂层的热学性能，对超薄型钢结构防火涂料的阻燃机理 进行深入研究。研究结果表明，聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺三者能密切配合， 协同作用。 关键词：钢结构防火涂料；超薄型；基料树脂；阻燃体系；阻燃机理 a b s t r a c t s t e e ls n u c t u 】r eh a sb e e l lw i d e l yu s e di l lt l l ed o m e s t i ca n do v e r s e a sc o i l s 仇l c t i o n i l l d l l s t 眄f o ri t sa c l v a n t a g e s 眦c h 雒l l i 曲s 协m 舀l l ，l o wd e a d w e i g h ta n dw o n d e r m l d u c t i l i t ) ，t i 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c y 趾ds t o r a g e s t a b i l i t ya n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa r ep r o m o t e ds i m u l t a n e o u s l y b a s e do nt 1 1 e t h e o 巧o fs o l u b i l i t yc o e m c i e m ，t 1 1 ec o e m c i e mo ft h eb a s er e s i l ls y s t e mw a sm e a s u r e d b yt i t r i m e t 叮p 咖l2 0 0 ，n - b u t y la l c o h o l 锄db u t y ll a c t a t ea r es e l e c t e da ss o l v e n t b l e n d b ya d v a n c e d 印p a r a l 瑚觚da n a l y s i sm e t h o d ss u c ha sm e m o 乒a v h e 吲t g ) ， d i f f e r e n t i a lm e m a l 龃a l y s i s ( d t a ) 锄dd i 行e r 朋t i a ls c a 玎咀i n gc a l o d m e 姆( d s c ) ，t h e t h e n n a lp r o p e n i e so ft h e 丘r er e 伽d a m sa n dt h e 嘶e dc o a t i l l g1 a y e rw e r em e a s u r e da n d t h en 锄er e t 矾a n tm e c h 撕s mw a s 讪e s t i g a t e d t l l er e s u l t so ft g ，d t aa n dd s c s h o wt 1 1 a t ，i i lt 1 1 ew h o l ei 1 1 t l j i l l e s c i n gp r o c e s s ，a p p ，p ea i l dm e l c o o p e r a t ew i t l le a c h o m e ra n ds y n e r 百s mi sg e n e r a t e d k e y w o r d s ： f i r er e s i s t i v ec o a t i n gf o rs t e e ls 仇l c t u r e ；u l 仃at h i n f i l m e d ；b a s e r e s i l l ；f i i r e t 砌a i l ts y s t 锄；f i r er e t a r d a n tm e c h a i l i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至、 逆叠豇 签字日期：力弼年月z 尸日 刃 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权丞壅基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者签名：世龃 签字日期：7 院年月矿日 导师签名：衫刁易l 弋) 签字日期：形巧歹年厂月，矽日 第一章前言 第一章前言 随着社会的发展和物质财富的丰富，人们生活和工作条件的改善，高层建筑 物外部及室内装饰材料等广泛采用涂饰技术。但是，大多数涂料的可燃性和易燃 性，必然导致火灾隐患，并造成巨大损失。据统计，我国在过去的十多年里，平 均每年火灾次数均在2 0 3 0 万起，死亡人数约3 千人左右。火灾造成的直接经济 损失达3 0 多亿元。并且由于建筑装饰材料的大量采用，这种灾害还呈上升起势。 因此，建筑材料不燃化、难燃化、低毒化的问题迫在眉捷，消防问题已经引起各 国有关部门的高度重视，积极组织科研力量进行阻燃剂以及防火涂料的研究，并 制定相应的防火法规和各种评价燃烧性能的标准。 近年来，由于我国经济建设的迅猛发展，越来越多的大型建筑物如雨后春笋 般涌现，如高层建筑、大型商场超市、展厅、体育场馆、桥梁等。钢结构由于自 身的优点，体积小、质量轻、机械强度高、抗震效果好、施工方便、健康、环保， 被建筑行业称作“绿色建筑，已开始越来越多地应用在大型建筑上。然而这些 大型钢结构建筑往往是人口或资源集中的场所，若不加防火保护，一旦发生火灾， 将严重危害人们的生命和财产安全。一般不加保护的钢结构的耐火极限仅为1 5 分钟左右。要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须实行防火保 护。 钢结构防火的意义一是可以延长钢结构到达临界温度的过程，减轻钢结构在 火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部或者整体倒塌造成灭火和人员疏散的困 难以及人员伤亡；二是可以减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢 复周期，减少间接经济损失。我国钢结构的防火保护，近年来得到了突飞猛进的 发展，并且具备了相当的基础，但与发达国家相比，在产品结构、产品规模以及 开展研究的广度和深度上都存在着一定的差距。 当前，钢结构防火涂料的研究和生产正沿着以下几个方向发展：( 1 ) 适应市 场要求，防火涂料产品向着多样化、系列化、专业化和功能化方向发展；( 2 ) 改 进配方和生产工艺，探索新的主原料和添加剂，使涂料具有防火、耐高温、防腐 蚀、耐磨损等多种性能兼容的优异特性；( 3 ) 大力发展装饰性好超薄型钢结构防 火涂料；( 4 ) 通过多种途径降低产品成本生产出价廉物美的新型防火涂料。 本文设计了新型超薄钢结构防火涂料，这是当前发展的一个重要方向。同时 对防火涂料的基料树脂、阻燃体系以及各组成部分进行了深入研究，对于提高超 薄型钢结构防火涂料的防火极限进行了试验。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 钢结构的应用及钢结构防火 2 1 1 钢结构的应用现状及发展趋势 在建筑材料中，钢结构以其强度高，自重轻，有良好的延展性和抗震性，施 工周期短等优点，在建筑业中得到了广泛应用，尤其在超高层、超大跨度建筑方 面更显示出强大的生命力。 自1 8 8 5 年芝加哥建起第一座高5 5 m 的钢结构大楼以来，一幢幢高层、超高层 钢结构建筑如雨后春笋般拔地而起【l 】。截止1 9 9 9 年底，世界上2 0 0 m 以上的高层建 筑中钢结构占了7 9 。著名的钢结构建筑有法国巴黎的埃菲尔铁塔、日本东京的 东京塔、美国芝加哥的西尔思大厦、纽约的帝国大厦、中国香港的中银大厦以及 前纽约世贸中心大厦等。芝加哥西尔思大厦高4 4 3 m ，原纽约世界贸易中心高 4 1 2 m ，东京阳光大厦高2 2 6 m ，它们都是大城市的标志性大厦，都是纯钢结构建 筑。 改革开放以来，随着我国钢铁技术的迅猛发展，钢铁产量的大幅提高，以及 与国际技术交流合作的进一步加强，钢结构应用技术在我国也得到了蓬勃发展。 北京、上海、深圳等地均有钢结构建筑的佳作。近几年建成的系列建筑物，如北 京1 8 3 m 的京城大厦、2 0 8 m 的京广中心，上海1 5 3 m 的新锦江大酒店，深圳1 6 5 m 的发展中心大厦，北京大跨度亚运会体育馆，上海世界排名第二、跨度6 0 2 m 的 杨浦大桥等均为国内钢结构建筑的代表作【2 】。据悉北京成功申办2 0 0 8 年奥运会 后，新建的奥运体育场馆也将全部采用钢结构型式 3 】。2 0 0 3 年春复工的上海环球 金融中心经过修改设计，拟建成4 9 2 m 世界第一高楼，其大部分也将采用钢结构。 轻型钢结构是只由圆钢、小角钢和薄壁型钢组成的结构。轻型钢结构的屋面 荷载较轻，杆件截面较小、较薄，除具有普通钢结构材质均匀、应力计算准确可 靠、加工制造简单、工业化程度高、运输方便等特点外，还具有取材方便、用料 较少、自重更轻等优点。轻型钢屋盖结构的用钢量一般为8 1 5 k 咖2 ，接近相同 条件下钢筋混凝土结构的用钢量，且能节约大量木材、水泥及其它建筑材料，将 结构自重减轻为普通钢结构的7 0 8 0 ，总造价较低。 轻钢结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大， 已引起结构设计人员的重视，被广泛应用于仓库、办公室、工业厂房及体育设施 等。轻钢结构是近1 0 年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑 投资的5 0 以上：在我国这种结构每年以2 0 0 万m 2 的速度递增，轻钢住宅的研究 2 第二章文献综述 开发也己在各地试点，目前己有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。轻钢 结构具有大跨度、大空间，分隔使用灵活，施工速度快，抗震有利等特点，将对 我国传统的住宅结构模式产生较大冲击。钢结构建筑体系的环保性和经济性，也 将使越来越多的钢结构应用于轻型或高层建筑结构【4 1 。 2 1 2 钢结构的特点及其防火保护 钢材虽然不具备可燃性，是非可燃材料，但是钢材的导热系数大，常温热导 率高达5 8 2 w m k ，遇火或遇热温度达到5 0 0 左右时其弹性模量、屈服强度和 极限强度将显著降低，应变急剧增大，致使其迅速扭曲变形，导致钢结构部分或 全部塌陷破坏，其良好的导热性在高温下将加速热量的传递。一般说来，钢材的 机械强度随着温度的升高而降低岭j 。 钢结构的耐火性能差，在火灾中强度会迅速下降，当温度达到3 5 0 、5 0 0 、 6 0 0 时，其强度分别下降1 3 、1 2 、2 3 【6 】。钢材温度升高到一定值时其失去支 撑能力，这一温度就定义为临界温度。据理论计算，在全负荷情况下钢结构失去 静态平衡稳定性的临界温度为5 2 8 ，一般常用建筑钢材的临界温度为5 4 0 。建 筑物火灾火场温度大多在8 0 0 1 2 0 0 之间，火灾发生的1 0 m i n 内火场温度即可升 到7 0 0 以上。在这样的火场温度下，裸露钢构件几分钟内温度就会上升到临界 值，出现塑性变形，产生局部破坏而失去承载能力，引起坍塌，造成严重的伤亡 事故和经济损失。国内有不少这方面的例子，如1 9 6 9 年1 2 月1 9 日上海文化广场发 生火灾，1 5 1 i l i i l 内8 6 0 0 m 2 的钢结构屋盖系统全部倒塌，造成1 3 人死亡、1 4 0 余人 受伤的严重后果；1 9 7 3 年5 月天津市体育馆3 5 0 0 m 2 的主馆钢屋架起火，1 9 i n i n 内 全部倒塌；1 9 8 3 年1 2 月北京友谊宾馆剧场3 1 0 0 i i l 2 的钢屋架仅4 n 血就整体变形倒 塌。还有中央党校礼堂、济南市工人俱乐部礼堂等都在火灾发生后很短时间内倒 塌，造成重大损失。而国外一些加强防火保护的钢结构建筑发生火灾后较少发生 整体垮塌的现象，如1 9 7 0 年8 月5 日美国纽约宾馆第3 4 层发生火灾，3 3 层至3 5 层被 烧毁，死亡2 人、烧伤5 0 人，经济损失约1 0 0 0 万美元，但主体钢结构损坏不大； 1 9 8 8 年5 月4 日美国洛杉矶市第一国际银行发生火灾，4 个楼层全部被烧毁，直接 经济损失几亿美元，但由于使用了混凝土和金属板条保护，钢梁和钢柱没有受到 大的损坏。 2 0 0 1 年“9 1 1 ”事件发生后，美国国家标准和技术学会m i s t ) 建筑和火灾研 究试验室的专家们认为，火灾是导致世界贸易中心双塔倒塌以及五角大楼发生重 大损失的关键因素，飞机的撞击虽对大楼造成了一定的破坏，但随后的大火才是 世贸双塔倒塌的直接原因。几十吨航空燃油和楼内大量家具、电器、纸张的猛烈 燃烧降低了塔楼相关楼层结构的承重能力，引起了“链反应”式的整体坍塌【8 】。 专家们对大楼的防火措施在大火中是否起到有效的隔热保护作用仍在进一步地 研究和评估。国内外众多火灾实例和耐火试验表明，裸露钢结构的耐火极限只有 第二章文献综述 1 5m i n ，火灾时不加防火保护的钢结构其强度只能维持1 5 m ：i n 。显而易见，要在 短短的1 5 m i n 内将大火扑灭是比较困难的，因此必须对钢结构采取有效的防火措 施。钢结构的防火保护对保卫人民生命财产安全和减少火灾损失具有重要意义。 2 2 钢结构的防火措施 2 2 1 钢结构的防火要求 我国高层民用建筑设计防火规范规定的耐火要求为：柱的耐火极限为 2 o 3 0 h ，梁的耐火极限为1 5 2 0 h ，楼板的耐火极限为1 5 2 o h ；同时我国现行 建筑设计防火规范对钢结构耐火极限的要求为：高层民用建筑的柱、梁及楼 板与屋顶承重构件的耐火极限为1 5 3 o h ；一般工业与民用建筑的柱、梁及楼板 与屋顶承重构件的耐火极限为o 5 3 o h 【6 】。因此，要将钢结构的耐火极限由未加 保护的0 2 5 h 提高到现行防火规定的1 0 3 0 h ，需对钢结构实施有效的防火保护。 2 2 2 钢结构防火方法的分类 目前世界各国保护钢结构的方法多种多样，这些方法从原理上可分为两大 类：疏导法和截流法【9 d 1 1 。 疏导法，即允许热量传到钢结构上，然后设法把热量导走或消耗掉，从而使 构件温度不至于高到临界温度而起到保护作用。疏导法目前只包括充水冷却保护 一种。该方法是在空心封闭的钢构件中充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热 量传递给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量移走，从而控制构件的温 度在1 0 0 左右，从理论上讲这是钢结构防火保护最有效的方法，冷却水可由高 位水箱、供水管网或消防车来补充，蒸汽可由专设的排气口排出，缺点是增加了 构件的自重以及水对钢结构的可能腐蚀。为防止锈蚀或水结冰，通常还需在水中 掺加防锈剂和防冻液。国际上少数钢结构建筑采用水冷却进行防火保护，如美国 堪萨斯州银行大厦和匹兹堡钢铁公司大厦在空心钢构件中灌注防冻、防腐的水溶 液，火灾时通过其循环吸热而保证钢结构的安全。这种钢结构保护方法在我国尚 未采用【1 2 1 。 截流法，其原理是截断或阻滞火灾产生的热量向构件传输，使构件在规定的 时间内温升不超过临界温度。具体做法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产 生的热量首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件。由于选用的材料导热 系数小而热容量大，能很好地阻滞热量向构件传输，从而起到保护作用。 截流法又可以分为包封法、屏蔽法、水喷淋法、喷涂法等。 ( 1 ) 包封法包封法是最常见也是最基本的钢结构保护法，它是利用耐火材 料把构件包裹起来形成保护。包封材料常有防火板材、陶粒混凝土、砖、钢丝网 4 第二章文献综述 抹灰粉等。美国的纽约宾馆、英国的伦敦保险公司办公楼、上海浦东世界金融大 厦等的钢柱防火保护均采用这种方法。 ( 2 ) 屏蔽法屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内的方 法，主要适用于钢结构屋盖系统的保护。 ( 3 ) 水喷淋法水喷淋法是在钢结构顶部铺设喷淋供水管网，火灾时自动或 手动启动喷水，在构件表面形成连续流动的致密水膜，对钢构件起到保护作用。 ( 4 ) 喷涂法喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成防 火保护层【l 引。 在以上几种防火保护方法中，要使钢结构达到规定的防火要求，包封法和屏 蔽法需要相当厚的保护层，增加了构件重量；水喷淋法在构件的顶部铺设喷淋装 置后，破坏了钢结构的整体性。钢结构防火涂料喷涂在构件表面起隔热保护作用， 防止钢结构在火灾中迅速升温而降低强度，避免失去承重能力而导致建筑物垮 塌，为消防救火赢得宝贵时间。相比之下，在钢结构上直接刷涂防火涂料是最理 想、最可靠，也是最经济、最实用的方法【1 4 】。因此，开发性能良好的防火涂料 具有重大意义。 2 3 钢结构防火涂料的发展趋势 2 3 1 钢结构防火涂料的分类及现状 钢结构防火涂料是涂刷在建筑物及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保 护层而提高钢结构耐火极限的涂料。国外在2 0 世纪7 0 年代就已经开始对其进行研 究，8 0 年代初产品进入中国市场，并在工程上得到了应用。8 0 年代初在公安部的 计划安排下，公安部四川消防研究所率先开展了钢结构防火隔热保护技术的系统 研究，并研制出国内第一个实用的产品一一l g 钢结构防火隔热喷涂涂料。此后 国内对钢结构防火涂料的研究逐渐开展起来，发展到今天基本上己形成多品种、 系列化 临17 1 。 钢结构防火涂料根据其组成和防火原理划分，可分为膨胀型钢结构防火涂料 和非膨胀型钢结构防火涂料；按使用场所可分为室内钢结构防火涂料和室外钢结 构防火涂料；按使用厚度可分为超薄型钢结构防火涂料、薄型钢结构防火涂料和 厚型钢结构防火涂料。室内型用于建筑物室内或隐蔽工程的钢结构表面，室外型 用于建筑物室外或露天工程的钢结构表面【l8 】。厚型基本上是水溶性的，超薄型 有水溶性和溶剂型两类【1 9 。2 1 | 。 ( 1 ) 超薄型钢结构防火涂料超薄型钢结构防火涂料是涂层厚度不超过3 m m 的防火涂料。这种涂料受热时迅速膨胀发泡，形成致密防火隔热层，施工可采用 喷涂、刷涂或辊涂，一般用在耐火极限要求2 h 以内的建筑结构上。该涂料涂层薄， 第二章文献综述 外观装饰性好，满足防火要求的同时具有良好的装饰性，施工方便，特别适用于 裸露钢结构，目前备受重视，是钢结构防火涂料发展的重要方向吲。 国内产品中，公安部四川消防研究所研制的s c b ( 溶剂型) 和s c a ( 水溶性) 超 薄型钢结构防火涂料，涂层厚度分别为2 6 9 m m 和1 6 0 i 】 1 l n 时耐火极限分别为 1 4 7 m i n 和6 3 m i n ；l f ( 溶剂型) 和l 6 ( 溶剂型) 超薄型钢结构防火涂料涂层厚度分别 为2 o o m m 和3 0 0 m m 时耐火极限分别为9 4 m m 和9 0 i 】= l i i l 。国内此类产品还有北京石 油化工学院的i f r c 9 9 型超薄型钢结构防火涂料、上海长安防火阻燃材料有限公 司的g f t b 型钢结构防火涂料、昆山防火材料厂的a 6 0 5 0 lb 超薄型钢结构防火 涂料、福建福日特种材料有限公司的f r 9 5 8 r 超薄型钢结构防火涂料等。众多 产品己被广泛应用于体育馆、影剧院、展览馆、饭店、商厦、发电厂、石油化工 企业、仓库以及民用建筑等钢结构【5 ，2 3 。3 1 j 。 国外此类产品有德国贺柏兹公司( h e r b e r t s ) 的w a t e r b a s e d 3 8 3 2 型钢结构防火 涂料( 水溶性) ，涂层厚度2 6 3 m m ，耐火极限6 3 l i l i n ；3 8 0 9 l 型钢结构防火涂料( 溶 剂型) ，涂层厚度2 4 2 m m ，耐火极限1 2 4 m i l l 。英国的n u t l i f i r e 钢结构防火涂料( 溶 剂型) ，涂层厚度2 2 4 m m ，耐火极限1 0 6 m i n 。加拿大d 防火有限责任公司的 d f i r e f i l m 防火涂料，涂层厚度2 5 8 m m ，耐火极限2 h 。此外还有日本立邦公 司的f r 钢结构防火涂料，涂层厚度1 2 m m ，耐火极限1 h f 3 2 】。 ( 2 ) 薄型钢结构防火涂料国家标准规定薄型钢结构防火涂料的涂层厚度大 于3 n u n 且小于或等于7 m m 。这类钢结构防火涂料一般用适当的聚合物乳液作基 料，配以阻燃剂、填料和助剂等。选用的乳液要求对钢结构有良好的附着力、耐 久性和耐水性，常用的有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液，偏氯乙烯乳 液等。这种防火涂层分为底层( 隔热层) 和面层( 装饰层) ，受热迅速膨胀发泡，但 发泡率不高，装饰性比厚型好，采用喷涂施工，常用于耐火极限不超过2 h 的建筑 钢结构。 国内的s c m 钢结构防火涂料、s w b 钢结构防火涂料、s d 一1 钢结构防火涂料 和l b 钢结构防火材料，涂层厚度分别为3 3 7 m m 、5 5 m m 、5 3 删n 和7 4 n l l n 时，耐 火极限分别为o 8 6 h 、1 0 h 、1 6 2 h 和2 0 5 h 。这些涂料己被应用在北京亚运会体育 馆、石景山发电厂、云南玉溪卷烟厂、西昌卫星发射中心、上海浦东国际机场等 建筑的钢结构工程上【3 3 3 4 1 。国外对此类钢结构防火涂料的报道较少。 ( 3 ) 厚型钢结构防火涂料国家标准规定厚型钢结构防火涂料的涂层厚度大 于7 n 1 1 n 且小于或等于4 5 n l i i l ，涂层厚度2 5 i n m 时耐火极限为2 0 h 。厚型钢结构防火 涂料从防火原理上看是非膨胀型防火涂料，主要由难燃性粘结剂、阻燃剂、防火 填料等物料配制而成，火灾中涂层基本不膨胀，依靠涂层本身的不可燃、低热导 性或吸热性，阻滞热量的传递，延缓钢材的温升。 国内此类产品如s d 2 钢结构防火涂料、t n l g 钢结构防火涂料和t n 。t s 钢结 构防火涂料等，涂层厚度为2 7 6 m 加、3 9 5 m m 和3 5 1 m 时，耐火极限分别可达 6 第二章文献综述 2 2 8 h 、2 5 3 h 和3 o h 。这些产品已在北京王府井百货大楼、北京中国国际贸易中 心、广州造船厂、上海东方明珠电视塔、上海证券大厦、上海世贸商城等设施的 钢结构工程中得到应用【5 3 5 3 6 1 。 国外产品如英国g r a c ec o n s t m c t i o np r o d u c t ( 格雷斯建材产品) 的m o n o k e t e f 沁p r o o f m gu k 6 钢结构防火涂料，涂层厚度4 7 4 瑚m ，耐火极限2 5 h ；美国美商 华人企业股份有限公司的a d 钢结构防火涂料，涂层厚度3 3 7 m m ，耐火极限3 0 h ； c a f c o 欧洲有限公司的c a f c ob l a z es h e l d 钢结构防火涂料，涂层厚度 1 8 o i r l i l l 和3 4 0 m m ，耐火极限分别为1 8 8 h 和3 8 h 。该公司的c a f c 0 3 0 0 钢结构防 火涂料涂层厚度为3 5 o i i l i i l 和4 1 0 n 吼时，耐火极限分别可达4 5 h 和5 0 h 以上。 此外还有英国m 趾d o v o l 公司的水泥蛭石系列防火涂料( 如p 2 0 ，m 牌号) 、 日本n i c m a s 公司的矿棉防火喷涂涂料等。 2 3 2 超薄型钢结构防火涂料的发展趋势 超薄型钢结构防火涂料是2 0 世纪9 0 年代为适应建筑物钢结构防火保护和装 饰性的更高要求开发出来的，涂层厚度一般为1 5 3 o i i l i i l 涂层遇火膨胀，膨胀率 较高，可形成4 0 1 0 0 删n 的炭化层，炭化泡沫层致密结实，耐火极限为o 5 3 h 。 超薄型钢结构防火涂料的附着力、耐候性、抗震性、抗弯曲程度、耐水性等理化 性能均优于厚型钢结构防火涂料和薄型钢结构防火涂料。 超薄型钢结构防火涂料是一种新型建筑涂料，国内原来没有相应的理化性能 和防火性能检测标准，科研和生产常参照室内钢结构防火涂料通用技术条件 ( g b l 4 9 0 7 9 4 ) 对薄涂型钢结构防火涂料的有关技术要求。2 0 0 2 年1 月钢结构防 火涂料国家标准( g b l 4 9 0 7 2 0 0 2 ) 由国家质量监督检验检疫总局批准，并于2 0 0 2 年8 月1 日正式实施，为超薄型钢结构防火涂料的研制和生产提供了依据。 目前，钢结构防火涂料正朝着涂层超薄、装饰性强、施工方便、低有机溶剂 挥发( v o c ) 、防火性能好、应用范围广的多功能型涂料方向发展，因此，开发出 符合新国家标准的技术要求、耐火性能理想、耐老化、装饰性好、施工方便、既 可用于室内也可用于室外的超薄型钢结构防火涂料，是我国涂料工业工程技术人 员急需解决的课题和任务。 2 4 本研究的主要目的和内容 我国对超薄型钢结构防火涂料的需求日渐增长，但该种涂料价格较贵，而且 涂层厚度较大、施工用量较多，因而总成本较高，在一定程度上限制了它的使用， 但从发展趋势看，超薄型钢结构防火涂料必将最终替代厚型和薄型钢结构防火涂 料。据有关数据显示，我国目前2 0 0 多家有关的生产企业中，生产厚型防火涂料 的约占5 0 ，生产薄型防火涂料的约占3 0 ，只有2 0 左右的企业生产超薄型防 7 第二章文献综述 火涂料，因此，开发防火性能好、理化性能优越、施工方便、成本较低的超薄型 钢结构防火涂料产品，对提高企业知名度、增加企业效益、提高企业产品竞争力 和市场占有率都有重要的积极意义。 由室内钢结构防火涂料通用技术条件修订而来的新国家标准，在主体结 构不变的情况下调整了某些技术指标，增加了室外钢结构防火涂料和超薄型钢结 构防火涂料的技术要求和试验方法等内容。新标准根据近几年我国钢结构防火涂 料耐火性能的检验情况，确定三类涂料的耐火性能技术指标。这些技术指标是在 贯彻原标准过程中积累众多数据的基础上，经分析比较后对相应类别的涂层厚度 和耐火极限做出的新规定，较为合理【3 7 】。通过对比可以发现，新标准对防火涂 料的理化性能尤其是初期抗开裂性，以及耐火性能提了新的更高要求。 本论文运用高分子材料物理方面的相关知识，深入分析试验现象，研究防火 涂料中各组分的性质、用量与防火涂料性能之间的关系，借助热分析手段，从树 脂的玻璃化转变温度、熔融温度、阻燃体系各组分的热学性能来研究影响涂料防 火性能的各种因素。根据钢结构防火涂料的特点，主要开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 在前期研究工作基础上，继续进行基料和阻燃体系的筛选和配方工艺的 研究； ( 2 ) 探讨基料中各个因素对涂层性能的影响，解决涂膜初期抗开裂性差的问 题，提高理化性能，达到钢结构防火涂料新国家标准要求； ( 3 ) 研究阻燃体系中各组分对涂料防火性能的影响，提高耐火极限，达到钢 结构防火徐料新国家标准要求； ( 4 ) 用热分析手段分析阻燃体系各组分及涂料干燥涂层的热学性能，研究防 火机理，探讨影响钢结构防火涂料性能的因素及规律，对防火涂料的施工和生产 提供指导。 第三章试验部分 3 1 主要仪器设备 第三章试验部分 本工作中使用的涂料配制、研磨、性能检测和分析过程中所采用的仪器设备， 列在表3 1 。 表3 1 试验仪器设备一览 3 2 试验原材料 试验原材料主要是超薄型钢结构防火涂料研制过程中用到的基料树脂、阻燃 体系、颜填料、溶剂和助剂等五类物质。各原料列在表3 2 中。 3 3 试验与生产工艺 防火涂料的试验研究和生产工艺一般分为配料、预混合、研磨分散、搅拌调 稀、过滤、包装和性能检测等步骤。 ( 1 ) 配料按配方依次准确称取各种物料，先加入树脂、氯化石蜡和部分溶 剂，然后加入阻燃体系各组分和颜填料，再加入剩余的溶剂和助剂。配料过程中， 溶剂分两次加入。先加入部分溶剂溶解基料，降低基料粘度，以便能足够润湿后 加入的粉状物料，减小粉料所占的体积，从而增加物料的总加入量。粉状物料加 完后再加入剩余的溶剂，初步调节物料的稠度，避免出现太稠或太稀，以便后续 预混合和研磨分散操作顺利进行。 9 第三章试验部分 ( 2 ) 预混合配好各种物料，用高速搅拌机进行预混合。搅拌速度先逐渐加 大，加到较高速度后再降低，以防止物料飞溅，然后保持中速搅拌一段时间。预 混时间一般为1 5m i i l 左右。 表3 2 试验原料 ( 3 ) 研磨分散研磨分散是将阻燃体系和颜填料等粉状物料掺入基料的过 程，目的是使涂料颗粒变细、混合更均匀。工程中常用的研磨分散工具有球磨机、 三辊机和砂磨机等。本论文研究采用三辊机分散试样，分散介质玻璃珠与物料的 质量比为1 5 ：1 到2 ：1 。 ( 4 ) 搅拌调稀物料通过研磨达到规定细度的过程中有增稠现象，需加溶剂 调节粘度。在中速搅拌下加入溶剂和助剂，使涂料具有合适的粘度和良好的稳定 性。 ( 5 ) 过滤包装研磨分散的涂料粒子一般存在一定的粒径分布，尤其采用三 辊机研磨分散辊轴的边缘存在一些粗料时，因此分散好的漆料需过滤。过滤后可 根据客户要求和市场需要进行分装。 ( 6 ) 性能检测按规定方法抽样检测，结果作为整批次的质检结果。产品检 测合格后才能投放市场。 l o 第三章试验部分 3 4 涂料性能的检测 3 4 1 钢结构防火涂料的检测分析 目前防火涂料的常规检测主要是对外观、颜色、光泽、粘度、表干时间、固 体含量、硬度、冲击强度、粘结强度、耐水性、耐冻融循环性等宏观性质的检测。 随着科学技术的发展和检测手段的提高，热重分析仪、差热分析仪、扫描电镜、 x 射线分析仪、傅立叶红外光谱仪、紫外光谱仪、核磁共振仪、能谱分析仪、色 差计等现代化仪器不断用于涂膜性能测试、涂料阻燃性能分析和机理研究。这些 先进仪器和分析测试方法的应用，可深入到涂层内部来测试结构和界面状态， 进一步研究影响涂料性能的因素和规律 3 9 。3 1 。 3 4 2 钢结构防火涂料理化性能测定标准和方法 ( 1 ) 钢结构防火涂料理化性能测定标准【3 6 】 新颁布的钢结构防火涂料国家标准对室内超薄型钢结构防火涂料和室外 超薄型钢结构防火涂料的技术要求分别作了详细的规定。 钢结构防火涂料国家标准规定了如下判定规则： ( 2 ) 钢结构防火涂料的检测结果，各项性能指标均符合标准要求时判该产品质量 合格。 ( 3 ) 钢结构防火涂料除耐火性能( 不合格属a ，不允许出现) 外，理化性能尚有严 重缺陷( b ) 和轻缺陷( c ) 。 防火涂料作为一种特种涂料，除了要求具有良好的理化性能，更要注重其防 火性能。不同火灾发生场合的温度变化不同，因而需要根据各种火灾场合内温度 的变化拟合各种升温曲线，尽可能真实地反映火场内温度变化的规律和趋势。建 筑火灾火场温度大约在8 0 0 1 2 0 0 之间，耐火试验中构件所加荷载和升温曲线 是试验的两个重要条件。相同的构件，施加同样的荷载而采用不同的升温曲线， 测得的耐火极限